RU2766991C2 - Quasi-distributed resistive sensor and method for measuring distributed parameters of physical quantities based thereon - Google Patents
Quasi-distributed resistive sensor and method for measuring distributed parameters of physical quantities based thereon Download PDFInfo
- Publication number
- RU2766991C2 RU2766991C2 RU2020126840A RU2020126840A RU2766991C2 RU 2766991 C2 RU2766991 C2 RU 2766991C2 RU 2020126840 A RU2020126840 A RU 2020126840A RU 2020126840 A RU2020126840 A RU 2020126840A RU 2766991 C2 RU2766991 C2 RU 2766991C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- distributed
- quasi
- resistive
- measuring
- probing
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
- G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
- G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
- G01D5/16—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying resistance
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)
- Testing Or Calibration Of Command Recording Devices (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области распределенных измерений физических величин, а именно к квазираспределенным резистивным датчикам и способам измерения параметров распределенных физических величин на основе таких датчиков.The invention relates to the field of distributed measurements of physical quantities, namely to quasi-distributed resistive sensors and methods for measuring the parameters of distributed physical quantities based on such sensors.
Известны способы построения квазираспределенных резистивных датчиков (патент США №9651407 В2, МПК G01D 11/00, G01N 27/122, опубл. 16.05.2017; патент США №7926365 В2, МПК G01D 7/00, опубл. 19.04.2011; Во Zhou Resistive Pressure Force Sensor Matrix for Wearable and Ubiquitous Computing // Master Thesis, Technische
Недостатком данной структуры квазираспределенного резистивного датчика является необходимость изготовления двухслойной структуры для исключения пересечения проводников строк и столбцов, что усложняет процессы изготовления и установки таких датчиков. Сложный процесс изготовления?The disadvantage of this structure quasi-distributed resistive sensor is the need to manufacture a two-layer structure to prevent the intersection of the conductors of rows and columns, which complicates the manufacturing and installation of such sensors. Complicated manufacturing process?
Наиболее близким к заявляемому техническому решению по технической сущности и достигаемому техническому результату является квазираспределенный резистивный датчик (Е. Denisov et al., "Quasi-distributed resistive sensor for steady-state field measurements," 2016 International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON), Moscow, 2016, pp. 1-5.), реализованный из тонких чувствительных элементов, соединенных в сеточную структуру. Данный датчик может использоваться для систем, где для подключения измерительного оборудования доступны только внешние выводы квазираспределенного резистивного датчика. Сканирование в данном датчике происходит путем подачи электрического тока заданной величины на внешние выводы датчика и измерения величины напряжения на оставшихся выводах датчика. Расчет значений сопротивлений единичных чувствительных элементов в квазираспределенном резистивном датчике производится посредством решения систем уравнений с несколькими неизвестными, составленными на основе законов Ома и Кирхгофа.The closest to the claimed technical solution in terms of technical essence and the achieved technical result is a quasi-distributed resistive sensor (E. Denisov et al., "Quasi-distributed resistive sensor for steady-state field measurements," 2016 International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON) , Moscow, 2016, pp. 1-5.), implemented from thin sensitive elements connected in a grid structure. This sensor can be used for systems where only the external terminals of a quasi-distributed resistive sensor are available for connecting measuring equipment. Scanning in this sensor occurs by supplying an electric current of a given value to the external terminals of the sensor and measuring the voltage at the remaining terminals of the sensor. Calculation of the resistance values of individual sensitive elements in a quasi-distributed resistive sensor is carried out by solving systems of equations with several unknowns, compiled on the basis of Ohm's and Kirchhoff's laws.
Недостаток данного вида квазираспределенного резистивного датчика состоит в том, что с ростом количества чувствительных элементов в структуре квазираспределенного резистивного датчика увеличивается сложность вычислений и погрешность определения величины сопротивления чувствительных элементов. Кроме того, погрешность определения величин сопротивлений чувствительных элементов зависит от расположения чувствительных элементов в структуре квазираспределенного резистивного датчика. Чем дальше чувствительный элемент от измерительных терминалов, тем выше погрешность определения величины сопротивления чувствительного элемента.The disadvantage of this type of quasi-distributed resistive sensor is that with an increase in the number of sensitive elements in the structure of a quasi-distributed resistive sensor, the complexity of calculations and the error in determining the resistance value of the sensitive elements increase. In addition, the error in determining the resistance values of the sensitive elements depends on the location of the sensitive elements in the structure of a quasi-distributed resistive sensor. The farther the sensing element is from the measuring terminals, the higher the error in determining the resistance value of the sensing element.
Известные из данной области техники квазираспределенные резистивные датчики позволяют измерять распределенные физические величины (поля физических величин), например поле температуры (чувствительный элемент - терморезистор), поле механического напряжения (чувствительный элемент - тензорезистор), поле освещенности (чувствительный элемент - фоторезистор). Однако известные на данный момент структуры квазираспределенных резистивных датчиков обладают рядом недостатков. Например, квазираспределенные резистивные датчики, выполненные по многослойной матричной структуре, сложны в изготовлении и имеют ряд ограничений на применение данных датчиков, например, их нельзя использовать в задачах, требующих однослойной структуры. Квазираспределенный резистивный датчик, выполненный по сеточной структуре, является однослойным, однако в нем имеется другой недостаток, связанный с погрешностью измерения. С ростом количества чувствительных элементов (размеров квазираспределенного резистивного датчика) увеличивается величина погрешности определения величин сопротивления внутренних чувствительных элементов. Сложность расчетов и погрешность измерений такого датчика, связаны с тем фактом, что пути протекания для зондирующего и измерительного токов проходят через одни и те же элементы.Quasi-distributed resistive sensors known from the field of technology make it possible to measure distributed physical quantities (fields of physical quantities), for example, a temperature field (sensing element - thermistor), mechanical stress field (sensitive element - strain gauge), illumination field (sensitive element - photoresistor). However, currently known structures of quasi-distributed resistive sensors have a number of disadvantages. For example, quasi-distributed resistive sensors based on a multilayer matrix structure are difficult to manufacture and have a number of limitations on the use of these sensors, for example, they cannot be used in tasks requiring a single-layer structure. The quasi-distributed resistive sensor, made according to the grid structure, is single-layer, however, it has another drawback associated with the measurement error. With an increase in the number of sensitive elements (dimensions of a quasi-distributed resistive sensor), the error in determining the resistance values of internal sensitive elements increases. The complexity of calculations and the measurement error of such a sensor are associated with the fact that the flow paths for the probing and measuring currents pass through the same elements.
Предложенное изобретение устраняет указанные недостатки.The proposed invention eliminates these disadvantages.
Техническим результатом изобретения является повышение точности, скорости измерения, обеспечение однослойного исполнения квазираспределенного датчика, уменьшение влияния количества чувствительных элементов датчика на погрешность измерения.The technical result of the invention is to increase the accuracy, measurement speed, ensure a single-layer execution of a quasi-distributed sensor, reduce the influence of the number of sensitive elements of the sensor on the measurement error.
Технический результат достигается путем предоставления новой структуры квазираспределенного резистивного датчика и способа измерения величин сопротивлений чувствительных элементов входящих в данный квазираспределенный резистивный датчик.The technical result is achieved by providing a new structure of the quasi-distributed resistive sensor and a method for measuring the resistance values of the sensitive elements included in this quasi-distributed resistive sensor.
Предлагаемый квазираспределенный резистивный датчик представляет из себя набор электрически соединенных одиночных резистивных датчиков, чувствительных к одной или нескольким физическим величинам. Одиночные резистивные датчики соединены в древовидную структуру с возможностью измерения величины сопротивления отдельного датчика по методу «вольтметра-амперметра» с обеспечением различных путей протекания токов зондирующего и измерительного сигналов. Древовидная структура предполагает электрический контакт трех и более чувствительных элементов в каждой внутренней точке соединения в квазираспределенном резистивном датчике.The proposed quasi-distributed resistive sensor is a set of electrically connected single resistive sensors that are sensitive to one or more physical quantities. Single resistive sensors are connected in a tree structure with the ability to measure the resistance value of an individual sensor using the "voltmeter-ammeter" method, providing different paths for the flow of currents of the probing and measuring signals. The tree structure assumes the electrical contact of three or more sensing elements at each internal connection point in a quasi-distributed resistive sensor.
Способ измерения распределенных физических величин на основе квазираспределенного резистивного датчика включает в себя несколько этапов:The method for measuring distributed physical quantities based on a quasi-distributed resistive sensor includes several steps:
этап 1: подключают источник электрического зондирующего сигнала к двум терминалам квазираспределенного резистивного датчика так, чтобы формируемый источником электрического зондирующего сигнала зондирующий ток протекал через измеряемый чувствительный резистивный элемент;step 1: connecting the electric probe signal source to the two terminals of the quasi-distributed resistive sensor so that the probe current generated by the electric probe signal source flows through the sensing resistive element to be measured;
этап 2: подключают измеряемый чувствительный резистивный элемент к измерителю напряжения через другие два терминала квазираспределенного резистивного датчика так, чтобы ток измерительной цепи не протекал по элементам, через которые протекает зондирующий ток;step 2: connecting the measured sensitive resistive element to the voltage meter through the other two terminals of the quasi-distributed resistive sensor so that the current of the measuring circuit does not flow through the elements through which the probing current flows;
этап 3: оценивают величину зондирующего тока;step 3: estimate the value of the probing current;
этап 4: измеряют величину напряжения на измеряемом чувствительном резистивном элементе посредством измерителя напряжения;step 4: measure the voltage value on the measured sensing resistive element by means of a voltage meter;
этап 5: определяют величину сопротивления измеряемого чувствительного резистивного элемента путем деления показаний измерителя напряжения на величину зондирующего тока;step 5: determining the resistance value of the measured sensitive resistive element by dividing the readings of the voltage meter by the value of the probing current;
этап 6: пересчитывают величину сопротивления измеряемого чувствительного резистивного элемента в физическую величину;step 6: recalculate the resistance value of the measured sensitive resistive element into a physical value;
этап 7: повторяют этапы 1-6 для измерения величины сопротивления других чувствительных резистивных элементов квазираспределенного резистивного датчика и пересчета их в физическую величину.step 7:
Предложенный способ позволяет провести измерение величины сопротивления резистивных чувствительных элементов за п коммутации источника электрического зондирующего сигнала и измерителя напряжения, где n - количество резистивных чувствительных элементов в структуре квазираспределенного резистивного датчика.The proposed method makes it possible to measure the resistance value of resistive sensing elements for n switching of the electric probing signal source and voltage meter, where n is the number of resistive sensing elements in the structure of a quasi-distributed resistive sensor.
При измерении сопротивления отдельно взятого резистивного чувствительного элемента квазираспределенного резистивного датчика измерительные и зондирующие токи будут протекать через другие резистивные элементы. Однако при использовании источника тока и измерителя напряжения с высокими импедансами позволяет пренебречь влиянием протекания тока через другие элементы, поскольку в датчике обеспечивается непересекающиеся, кроме самого измеряемого резистивного чувствительного элемента, пути протекания токов зондирующего и измерительного сигналов. В этом случае погрешность измерения величины сопротивления отдельно взятого элемента будет в основном определяться погрешностью измерительной аппаратуры.When measuring the resistance of a single resistive sensing element of a quasi-distributed resistive sensor, the measuring and probing currents will flow through other resistive elements. However, when using a current source and a voltage meter with high impedances, it makes it possible to neglect the influence of current flow through other elements, since the sensor provides non-intersecting, except for the measured resistive sensing element, paths for the flow of currents of the probing and measuring signals. In this case, the measurement error of the resistance value of a single element will be mainly determined by the error of the measuring equipment.
В качестве чувствительных элементов могут быть использованы одиночные резистивные элементы, чувствительные к одной физической величине или разнородным физическим величинам.As sensitive elements, single resistive elements sensitive to one physical quantity or heterogeneous physical quantities can be used.
Квазираспределенный резистивный датчик может быть изготовлен однослойным, за счет древовидной структуры и выполняться с возможностью плотного контакта с поверхностью объекта измерения. Квазираспределенный резистивный датчик может быть изготовлен из проволочных, пленочных или объемных чувствительных резистивных элементов. Квазираспределенный резистивный датчик может быть изготовлен на диэлектрической подложке, например, из стеклотекстолита, фторопласта, керамики и других материалов; проводящей подложке с диэлектрическим покрытием, например алюминиевая плата с оксидным покрытием; а также без подложки. Квазираспределенный резистивный датчик может быть выполнен по пленочной технологии. Квазираспределенный резистивный датчик может быть выполнен с возможностью изгиба и принятия конкретной формы объекта измерений. Возможны другие формы реализации данного изобретения.A quasi-distributed resistive sensor can be made single-layer, due to a tree structure, and be made with the possibility of close contact with the surface of the measurement object. A quasi-distributed resistive sensor can be made of wire, film or volume sensitive resistive elements. A quasi-distributed resistive sensor can be made on a dielectric substrate, for example, from fiberglass, fluoroplast, ceramics, and other materials; a conductive substrate with a dielectric coating, such as an aluminum board with an oxide coating; and also without lining. A quasi-distributed resistive sensor can be made using film technology. The quasi-distributed resistive sensor can be made with the possibility of bending and taking a specific shape of the measurement object. Other forms of implementation of the present invention are possible.
Заявляемый способ поясняется на фигурах.The claimed method is illustrated in the figures.
На фиг. 1 представлена иллюстративная схема квазираспределенного резистивного датчика с пятнадцатью резистивными чувствительными элементами.In FIG. 1 is an exemplary schematic of a quasi-distributed resistive sensor with fifteen resistive sensing elements.
На фиг. 2 представлена иллюстративная схема квазираспределенного резистивного датчика с пятнадцатью резистивными чувствительными элементами с указанием путей протекания зондирующего и измерительного токов при определении величины сопротивления резистивного чувствительного элемента R2.In FIG. 2 is an illustrative diagram of a quasi-distributed resistive sensor with fifteen resistive sensing elements, indicating the paths of the flow of probing and measuring currents when determining the resistance value of the resistive sensing element R2.
На фиг. 3 представлена иллюстративная схема проведения измерений величин сопротивлений чувствительных элементов в квазираспределенном резистивном датчике состоящем из пятнадцати резистивных чувствительных элементов с использованием источника электрического напряжения.In FIG. 3 shows an illustrative scheme for measuring the resistance values of the sensing elements in a quasi-distributed resistive sensor consisting of fifteen resistive sensing elements using an electrical voltage source.
На фиг. 4 представлена иллюстративная схема проведения измерений величин сопротивлений чувствительных элементов в квазираспределенном резистивном датчике состоящем из пятнадцати резистивных чувствительных элементов с использованием источника электрического напряжения и дифференциального усилителя для измерения величины протекающего тока через исследуемый чувствительный элемент.In FIG. 4 shows an illustrative scheme for measuring the resistance values of sensitive elements in a quasi-distributed resistive sensor consisting of fifteen resistive sensitive elements using an electrical voltage source and a differential amplifier to measure the magnitude of the current flowing through the investigated sensitive element.
На фиг. 5 представлена иллюстративная схема проведения измерений величин сопротивлений чувствительных элементов в квазираспределенном резистивном датчике состоящем из пятнадцати резистивных чувствительных элементов с использованием источника электрического тока.In FIG. 5 shows an illustrative scheme for measuring the resistance values of the sensing elements in a quasi-distributed resistive sensor consisting of fifteen resistive sensing elements using an electric current source.
Сущность изобретенияThe essence of the invention
Квазираспределенный резистивный датчик, построенный по древовидной структуре, состоит из электрически соединенных в древовидную структуру резистивных чувствительных элементов. Иллюстративный вариант реализации квазираспределенного резистивного датчика показан на фиг. 1. За счет применения древовидной структуры обеспечивается возможность измерения величин сопротивлений отдельных резистивных чувствительных элементов по методу «вольтметра-амперметра» с обеспечением различных путей протекания тока для зондирующего и измерительного сигналов. Принцип разделения путей протекания для зондирующего и измерительного токов схож с принципом, положенным в основу четырехпроводной схемы измерения сопротивлений.A tree-structured quasi-distributed resistive sensor consists of resistive sensing elements electrically connected in a tree structure. An exemplary implementation of a quasi-distributed resistive sensor is shown in FIG. 1. Due to the use of a tree structure, it is possible to measure the resistance values of individual resistive sensing elements using the "voltmeter-ammeter" method with the provision of various current flow paths for the probing and measuring signals. The principle of separating the flow paths for the probing and measuring currents is similar to the principle underlying the four-wire resistance measurement circuit.
Одиночные резистивные чувствительные элементы в одной внутренней точке квазираспределенного резистивного датчика соединяются по три или более штук. Минимальное количество резистивных чувствительных элементов в структуре квазираспределенного резистивного датчика равно трем. При меньшем количестве не получится реализовать разделение путей протекания для зондирующего и измерительного токов. Максимальное количество резистивных чувствительных элементов в структуре квазираспределенного резистивного датчика не ограничено.Single resistive sensing elements at one internal point of a quasi-distributed resistive sensor are connected in three or more pieces. The minimum number of resistive sensing elements in the structure of a quasi-distributed resistive sensor is three. With a smaller number, it will not be possible to implement the separation of the flow paths for the probing and measuring currents. The maximum number of resistive sensing elements in the structure of a quasi-distributed resistive sensor is not limited.
Резистивные чувствительные элементы в структуре квазираспределенного резистивного датчика могут быть чувствительны к одному или нескольким физическим величинам, таким как температура, механическая напряженность, механическое давление, освещенность, магнитное поле и другие.Resistive sensing elements in the structure of a quasi-distributed resistive sensor can be sensitive to one or more physical quantities, such as temperature, mechanical stress, mechanical pressure, illumination, magnetic field, and others.
Использование древовидной структуры позволяет устранить пересечения проводников, характерные для матричных структур. Поэтому представленный квазираспределенный резистивный датчик может быть выполнен однослойным. Квазираспределенный резистивный датчик может быть изготовлен из проволочных, пленочных или объемных чувствительных резистивных элементов. Квазираспределенный резистивный датчик может быть изготовлен на диэлектрической подложке, например, из стеклотекстолита, фторопласта, керамики и других материалов; проводящей подложке с диэлектрическим покрытием, например алюминиевая плата с оксидным покрытием; а также без подложки. Квазираспределенный резистивный датчик может быть выполнен по пленочной технологии. Квазираспределенный резистивный датчик может быть выполнен с возможностью изгиба и принятия конкретной формы объекта измерений.The use of a tree-like structure makes it possible to eliminate the intersections of conductors, which are typical for matrix structures. Therefore, the presented quasi-distributed resistive sensor can be made of a single layer. A quasi-distributed resistive sensor can be made of wire, film or volume sensitive resistive elements. A quasi-distributed resistive sensor can be made on a dielectric substrate, for example, from fiberglass, fluoroplast, ceramics, and other materials; a conductive substrate with a dielectric coating, such as an aluminum board with an oxide coating; and also without lining. A quasi-distributed resistive sensor can be made using film technology. The quasi-distributed resistive sensor can be made with the possibility of bending and taking a specific shape of the measurement object.
На фиг. 2 представлено распределение зондирующего и измеряемого токов при определении величины сопротивления резистивного чувствительного элемента R2. Источник электрического тока подключен к выводам T1 - Т2 и зондирующий ток протекает от вывода Т1 к выводу Т2.In FIG. 2 shows the distribution of the probing and measured currents when determining the resistance value of the resistive sensing element R2. An electric current source is connected to terminals T1 - T2 and the probing current flows from terminal T1 to terminal T2.
Измеритель напряжения, в качестве которого может выступать аналого-цифровой преобразователь, подключается таким образом, чтобы обеспечить возможность измерения падения напряжения на нужном резистивном чувствительном элементе. В данном случае измеритель напряжения подключается к выводам Т5 (или Т4) и Т9 (или Т6, Т7, Т8). За счет того, что современные измерители напряжения обеспечивают большое входное сопротивление, ток, протекающий по измерительной цепи, будет намного меньше зондирующего тока. Поэтому влияние измерительной цепи на измерение падения напряжения на резистивном чувствительном элементе будет незначительным.The voltage meter, which can be an analog-to-digital converter, is connected in such a way that it is possible to measure the voltage drop across the desired resistive sensing element. In this case, the voltage meter is connected to terminals T5 (or T4) and T9 (or T6, T7, T8). Due to the fact that modern voltage meters provide a large input resistance, the current flowing through the measuring circuit will be much less than the probing current. Therefore, the influence of the measuring circuit on the measurement of the voltage drop across the resistive sensing element will be negligible.
Иллюстративный вариант реализации системы измерения величин сопротивлений чувствительных резистивных элементов в структуре квазираспределенного резистивного датчика может включать в себя источник электрического зондирующего сигнала (в качестве которого может выступать источник электрического тока или источник электрического напряжения), аналоговые коммутаторы, аналого-цифровые преобразователи и устройства обработки данных.An exemplary implementation of a system for measuring the resistance values of sensitive resistive elements in the structure of a quasi-distributed resistive sensor may include an electric probing signal source (which can be an electric current source or an electric voltage source), analog switches, analog-to-digital converters and data processing devices.
Измерение распределенных физических величин на основе квазираспределенного резистивного датчика можно разбить на следующие этапы:The measurement of distributed physical quantities based on a quasi-distributed resistive sensor can be divided into the following steps:
1. Подключают источник электрического зондирующего сигнала (в качестве которого может выступать источник электрического тока или источник электрического напряжения) к двум терминалам (внешним выводам) квазираспределенного резистивного датчика так, чтобы зондирующий ток протекал через исследуемый чувствительный резистивный элемент.1. Connect a source of electrical probing signal (which can be a source of electrical current or a source of electrical voltage) to the two terminals (outer terminals) of the quasi-distributed resistive sensor so that the probing current flows through the investigated sensitive resistive element.
2. Подключают измеряемый чувствительный резистивный элемент к измерителю напряжения через другие два терминала квазираспределенного резистивного датчика так, чтобы ток измерительной цепи не протекал по элементам, через которые протекает зондирующий ток.2. Connect the sensitive resistive element to be measured to the voltage meter through the other two terminals of the quasi-distributed resistive sensor so that the current of the measuring circuit does not flow through the elements through which the probing current flows.
3. Оценивают величину зондирующего тока. В случае применения источника электрического тока (фиг. 5) величина зондирующего тока равна номинальному значению тока источника, а в случае применения источника электрического напряжения (фиг. 3, фиг. 4) величину зондирующего тока определяют путем измерения падения напряжения на эталонном сопротивлении (Rшунт), включенном последовательно в цепь зондирующего тока, и делением значения падения напряжения на величину эталонного сопротивления. Для измерения падения напряжения на эталонном сопротивлении (Rшунт) можно использовать два канала аналого-цифрового преобразователя путем вычитания показаний каналов аналого-цифровых преобразователей (фиг. 3) или использовать дифференциальный усилитель и один канал аналого-цифрового преобразователя (фиг. 4).3. Estimate the magnitude of the probing current. In the case of using an electric current source (Fig. 5), the value of the probing current is equal to the nominal value of the current of the source, and in the case of using an electric voltage source (Fig. 3, Fig. 4), the value of the probing current is determined by measuring the voltage drop across the reference resistance (Rshunt) connected in series to the probing current circuit, and dividing the voltage drop value by the value of the reference resistance. To measure the voltage drop across the reference resistance (Rshunt), you can use two channels of the analog-to-digital converter by subtracting the readings of the channels of the analog-to-digital converters (Fig. 3) or use a differential amplifier and one channel of the analog-to-digital converter (Fig. 4).
4. Измеряют величину падения напряжения на измеряемом чувствительном резистивном элементе посредством измерителя напряжения.4. Measure the voltage drop across the measured sensitive resistive element by means of a voltage meter.
5. Определяют величину сопротивления измеряемого чувствительного резистивного элемента путем деления показаний измерителя напряжения на величину зондирующего тока.5. Determine the resistance value of the measured sensitive resistive element by dividing the readings of the voltage meter by the value of the probing current.
6. Пересчитывают величину сопротивления измеряемого чувствительного резистивного элемента в физическую величину. Для пересчета используют известные зависимости изменения сопротивления чувствительного элемента от изменения исследуемой физической величины.6. Recalculate the resistance value of the measured sensitive resistive element into a physical value. For recalculation, the known dependences of the change in the resistance of the sensing element on the change in the studied physical quantity are used.
7. Повторяют этапы 1-6 для измерения величины сопротивления других чувствительных резистивных элементов квазираспределенного резистивного датчика и пересчета их в измеряемую физическую величину.7. Steps 1-6 are repeated to measure the resistance value of other sensitive resistive elements of the quasi-distributed resistive sensor and convert them into a measurable physical value.
Предложенный способ позволяет провести измерение величины сопротивления резистивных чувствительных элементов за п коммутации источника электрического зондирующего сигнала и измерителя напряжения, где n - количество резистивных чувствительных элементов в структуре квазираспределенного резистивного датчика.The proposed method makes it possible to measure the resistance value of resistive sensing elements for n switching of the electrical probing signal source and voltage meter, where n is the number of resistive sensing elements in the structure of a quasi-distributed resistive sensor.
За последовательность выполнения этапов и за обработку данных с аналого-цифровых преобразователей отвечает устройство обработки данных, в качестве которого могут использоваться микроконтроллер, программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС), персональный компьютер.The data processing device, which can be used as a microcontroller, field-programmable logic integrated circuit (FPGA), or a personal computer, is responsible for the sequence of steps and for processing data from analog-to-digital converters.
Процесс определения величин сопротивлений нескольких чувствительных элементов входящих в состав квазираспределенного резистивного элемента рассмотрим на следующем примере.The process of determining the resistance values of several sensitive elements included in the quasi-distributed resistive element will be considered in the following example.
Например, квазираспределенный резистивный датчик, состоящий из 15 чувствительных резистивных элементов R1-R15 (фиг. 1.), сопротивление которых изменяется в зависимости от распределения измеряемой физической величины. В качестве таких резистивных элементов могут выступать: терморезисторы, тензорезисторы, фоторезисторы и т.д. Внешний доступ к датчику обеспечивается только с помощью терминалов Т1-Т9.For example, a quasi-distributed resistive sensor, consisting of 15 sensitive resistive elements R1-R15 (Fig. 1.), The resistance of which varies depending on the distribution of the measured physical quantity. Such resistive elements can be: thermistors, strain gauges, photoresistors, etc. External access to the sensor is provided only with the help of terminals T1-T9.
Определения значений сопротивлений R1, R2, R4, R8 в квазираспределенном резистивном датчике, при использовании источника электрического напряжения (фиг. 3, фиг. 4), состоит в следующем:The determination of the resistance values R1, R2, R4, R8 in a quasi-distributed resistive sensor, using an electrical voltage source (Fig. 3, Fig. 4), is as follows:
К терминалу Т1, через эталонное сопротивление (резистор Rшунт), подключаем источник электрического напряжения. Терминал Т2 подключаем к линии GND с помощью аналогового коммутатора №1. Посредством аналогового коммутатора №2 последовательно подключаем все терминалы Т2-Т9 (фиг. 3) ко входу аналого-цифрового преобразователя №3 (ADC3) и производим измерение напряжения на каждом из терминалов Т2-Т9. Также совместно производим измерение падения напряжения на эталонном сопротивлении (резистор Rшунт) с помощью аналого-цифровых преобразователей №1, №2 (ADC1, ADC2):To terminal T1, through the reference resistance (resistor Rshunt), we connect a source of electrical voltage. Terminal T2 is connected to the GND line using an analog switch No. 1. By means of analog switch No. 2, we connect in series all terminals T2-T9 (Fig. 3) to the input of analog-to-digital converter No. 3 (ADC3) and measure the voltage at each of the T2-T9 terminals. We also jointly measure the voltage drop across the reference resistance (resistor Rshunt) using analog-to-digital converters No. 1, No. 2 (ADC1, ADC2):
При использовании дифференциального усилителя (фиг. 4) падение напряжения на эталонном сопротивлении равно:When using a differential amplifier (Fig. 4), the voltage drop across the reference resistance is:
Вычисляем величину зондирующего тока в схеме:We calculate the value of the probing current in the circuit:
Определяем величину напряжения на терминале Т1 (фиг. 3) с помощью ADC2, для того чтобы исключить влияние эталонного сопротивления при расчетах величины сопротивления R1.We determine the voltage value at terminal T1 (Fig. 3) using ADC2 in order to exclude the influence of the reference resistance when calculating the resistance value R1.
Потенциал в точке соединения резисторов R1 и R2 можно определить следующим образом:The potential at the connection point of resistors R1 and R2 can be determined as follows:
где UT6, UT7, UT8, UT9 - величина напряжения, измеренная на терминалах Т6, Т7, Т8, Т9 соответственно.where U T6 , U T7 , U T8 , U T9 - the voltage value measured at the terminals T6, T7, T8, T9, respectively.
Величину сопротивления R1 можно определить следующим образом:The resistance value R1 can be determined as follows:
где UT1 - величина напряжения, измеренная на терминале Т1.where U T1 is the voltage value measured at terminal T1.
Потенциал в точке соединения резисторов R2 и R4 можно определить следующим образом:The potential at the connection point of resistors R2 and R4 can be determined as follows:
где UT4, UT5 - величина напряжения, измеренная на терминалах Т4, Т5 соответственно.where U T4 , U T5 - the voltage value measured at the terminals T4, T5, respectively.
Величину сопротивления R2 можно определить следующим образом:The resistance value R2 can be determined as follows:
Потенциал в точке соединения резисторов R4 и R8 равен значению напряжения на терминале Т3, а величину сопротивления R4 можно определить следующим образом:The potential at the connection point of resistors R4 and R8 is equal to the voltage value at terminal T3, and the resistance value of R4 can be determined as follows:
где UT3 - величина напряжения, измеренная на терминале Т3.where U T3 is the voltage value measured at terminal T3.
Величину сопротивления R8 можно определить:The resistance value R8 can be determined:
где UT2 - величина напряжения, измеренная на терминале Т2.where U T2 is the voltage value measured at terminal T2.
За счет определения величины напряжения на терминале Т2, исключается влияние внутреннего сопротивление канала аналогового коммутатора №1 при определении величины сопротивления R8.By determining the voltage value at the terminal T2, the influence of the internal resistance of the channel of the analog switch No. 1 is eliminated when determining the value of the resistance R8.
После определения значений сопротивлений чувствительных элементов, производится пересчет значений сопротивлений в значения измеряемой физической величины. Для пересчета используются зависимости изменения сопротивления чувствительного элемента от изменения измеряемой физической величины. Данные зависимости приводятся в документации на соответствующие чувствительные элементы. Например, такие зависимости могут быть выражены в виде полиномов, логарифмических или экспоненциальных зависимостей.After determining the resistance values of the sensitive elements, the resistance values are recalculated into the values of the measured physical quantity. For recalculation, the dependences of the change in the resistance of the sensing element on the change in the measured physical quantity are used. These dependencies are given in the documentation for the corresponding sensitive elements. For example, such dependencies can be expressed as polynomials, logarithmic or exponential dependencies.
Приведен только иллюстративный вариант реализации системы измерения, возможны другие варианты реализаци. Например, могут использоваться различные датчики тока, различные источники зондирующего сигнала в форме тока или напряжения, различные системы коммутации выводов к цепям формирования зондирующего сигнала и измерения.Only an illustrative implementation of the measurement system is given, other implementations are possible. For example, various current sensors, various sources of a probing signal in the form of current or voltage, various systems for switching outputs to the probing signal generation and measurement circuits can be used.
Claims (21)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020126840A RU2766991C2 (en) | 2020-08-10 | 2020-08-10 | Quasi-distributed resistive sensor and method for measuring distributed parameters of physical quantities based thereon |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020126840A RU2766991C2 (en) | 2020-08-10 | 2020-08-10 | Quasi-distributed resistive sensor and method for measuring distributed parameters of physical quantities based thereon |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2020126840A3 RU2020126840A3 (en) | 2022-02-10 |
| RU2020126840A RU2020126840A (en) | 2022-02-10 |
| RU2766991C2 true RU2766991C2 (en) | 2022-03-16 |
Family
ID=80214419
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2020126840A RU2766991C2 (en) | 2020-08-10 | 2020-08-10 | Quasi-distributed resistive sensor and method for measuring distributed parameters of physical quantities based thereon |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2766991C2 (en) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7926365B2 (en) * | 2008-08-13 | 2011-04-19 | Industrial Technology Research Institute | Array type pressure sensing apparatus and pressure measurement method using the same |
| US9651407B2 (en) * | 2011-09-12 | 2017-05-16 | Hewlett-Packard Development Company, L.P. | Configurable sensor arrays |
| CN108254317A (en) * | 2018-01-30 | 2018-07-06 | 濮阳光电产业技术研究院 | A kind of fiber bragg grating temperature sensor in non-grid region coating polyimide |
-
2020
- 2020-08-10 RU RU2020126840A patent/RU2766991C2/en active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7926365B2 (en) * | 2008-08-13 | 2011-04-19 | Industrial Technology Research Institute | Array type pressure sensing apparatus and pressure measurement method using the same |
| US9651407B2 (en) * | 2011-09-12 | 2017-05-16 | Hewlett-Packard Development Company, L.P. | Configurable sensor arrays |
| CN108254317A (en) * | 2018-01-30 | 2018-07-06 | 濮阳光电产业技术研究院 | A kind of fiber bragg grating temperature sensor in non-grid region coating polyimide |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Е. DENISOV et al., "Quasi-distributed resistive sensor for steady-state field measurements," 2016 International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON), Moscow, 2016, pp. 1-5. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2020126840A3 (en) | 2022-02-10 |
| RU2020126840A (en) | 2022-02-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5667192B2 (en) | Multiplexer for detecting and correcting leakage current | |
| Wu | Scanning approaches of 2-D resistive sensor arrays: A review | |
| KR20130132558A (en) | Single-position hall effect measurements | |
| Philip | Direct microcontroller interface based digital readout circuit for single-element resistive sensors | |
| CN107132417A (en) | A kind of precision resister measuring method of reactive circuit parameter drift | |
| RU2766991C2 (en) | Quasi-distributed resistive sensor and method for measuring distributed parameters of physical quantities based thereon | |
| CN111352036B (en) | Battery sensor and method for operating a battery sensor | |
| Ponnalagu et al. | A microcontroller sensor interface suitable for resistive sensors with large lead resistance | |
| KR100974650B1 (en) | Resistance measuring device and measuring method | |
| CN111247395B (en) | Capacitive sensor system | |
| CN218546797U (en) | Kelvin four-wire test system realized through internal circuit of switch matrix | |
| Alsnaie et al. | Study and Design of a Multi-range Programmable Sensor for Temperature Measurement | |
| RU2372592C2 (en) | Temperature measuring device which is standard resistor equivalent and method realised in said device | |
| Shafigullin et al. | Automated System for Physical Fields Measurements Based on a Quasi-distributed Resistive Sensor | |
| Jain et al. | Self-balancing digitizer for resistive half-bridge | |
| RU2811329C2 (en) | Quasi-distribted rc sensor and method for measuring distribted physical fields | |
| CN113865775A (en) | Pressure sensor | |
| RU2807963C1 (en) | Multichannel temperature measuring device | |
| RU2374709C1 (en) | Temperature-voltage converter | |
| US20210131887A1 (en) | Sensing Physical Attributes | |
| US3453536A (en) | Common power supply resistance bridge system providing excitation,individual bridge sensor resistance,and signal output terminals all referenced to a common potential | |
| JP3716308B2 (en) | High resistance measuring method and high resistance measuring apparatus | |
| Philip | Digital readout circuit with direct microcontroller interface for bridge-connected resistive sensors | |
| RU2022112040A (en) | Quasi-distributed RC sensor and method for measuring distributed physical fields | |
| RU2699917C1 (en) | Method for automated measurement of resistance when using four-contact devices |